空气三管脉冲爆震发动机共用尾喷管研究

空气三管脉冲爆震发动机共用尾喷管研究 空气三管脉冲爆震发动机共用尾喷管研究 第23卷第5期 2008年5月 航空动力 JournalofAerospacePower Vo1.23NO.5 May2008 文章编号:i000—8055(2008)05—0840—05 煤油/空一弋二管脉冲爆震发动机 共用尾喷管研究 李建中,王家骅,唐豪,潘波. (1.南京航空航天大学能源与动力学院,南京2i0016; 2.总参谋部陆航研究所直升机与发动机研究室,北京101114) 摘要:探索脉冲爆震一涡扇组合发动机的可行性,建立了煤油/空气三管气动阀式脉冲爆震发动机 PDE试验系统,设计,加工了收敛型尾喷管和收敛一扩张型尾喷管,在三个内径i00mm,长2000mm的爆震 管内获得了充分发展的爆震波,成功实现总工作频率30Hz稳定时序工作,研究了三管PDE各爆震管之间爆 震燃烧特性的相互影响规律.三管PDE安装共用尾喷管能够提高爆震室内压力,提高三管PDE的工作性能. 研究结果为研制多管脉冲爆震发动机原理样机提供了理论依据. 关键词:航空,航天推进系统;脉冲爆震一涡扇组合发动机(PDTE);脉冲爆震发动机(PDE); 爆震燃烧;多管;气动阀 中图分类号:V235.22文献标识码:A Investigationoncommonnozzleoftriple—tubepulse detonationenginewithkerosene/air LIJian—zhong,WANGJia—hua,TANGHao,PANBo. (1.CollegeofEnergyandPowerEngineering, NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China; 2.PALHeadquarteroftheGeneralStaffArmyResearchInstitute.Beijing10ll14,China) Abstract:Toexplorethefeasibilityofpulsedetonation—turbofancombinedengine (PDTE),awholetestsystemofkerosene/airtriple—tubeaero— valvepulsedetonationengine (PDE)wasestablished.Aconvergingnozzleandaconverging-divergingnozzlewerede— signed.Withindetonationtubeof100mmininnerdiameterand2000mmin1ength,triple— tubePDEcouldbeoperatedat3OHzintotalfrequency,andthefully—developeddetonation wavesweresuccessfullyachieved.Theeffectofinteractionamongdetonationtubesondeto— nationcombustionpropertiesoftriple-tubepulsedetonationenginewasinvestigated.Becau se thedetonationpressureintubeoftriple—tubePDEwithcommonnozzlewasraised,theper— formanceoftriple—tubepulsedetonationenginewasimproved.Theresultslayabasisfor preliminarydesignofpracticalmulti—tubepulsedetonationengine. Keywords:aerospacepropulsionsystem;pulsedetonation—turbofancombinedengine (PDTE);pulsedetonationengine(PDE);detonativecombustion; multi—tube;aero—valve 收稿日期:2007—05—17;修订日期:2007—0918 基金项目:国家自然科学基金(50776045);南京航空航天大学科研创新基金(Y0802 —021) 作者简介:李建中(1979一),男,安徽泗县人,讲师,博士,主要从事燃烧学及脉冲爆震 发动机的研究 第5期李建中等:煤油/空气三管脉冲爆震发动机共用尾喷管研究841 脉冲爆震一涡扇组合发动机(简称PDTE)是 爆震燃烧和等压燃烧共存的新概念组合型推进装 置.脉冲爆震发动机具有结构简单,低成本,易系 列化,循环效率高,高推重比,高比冲和低污染等 优点,涡扇发动机高温内涵道气流和低温外涵道 气流混合形成具有一定温度(373K左右)的低污 染空气,能够提高爆震燃烧室中两相混气的蒸发 率,降低可燃混气的可爆极限,提高爆震燃烧性 能,脉冲爆震发动机和涡扇发动机有效组合能够 提高组合发动机的工作性能.尾喷管的应用能够 提高PDE的推进性能,但是,尾喷管也会影响 PDE爆震室内流场,影响PDE工作过程的时间 分配,如吹除过程,再充填过程等.和稳定流动的 发动机尾喷管相比,PDE的尾喷管本质上是非稳 定工作状态,设计和优化需要考虑整个工作过程. MawidMAl1.应用多维CFD方法分析了带 脉冲爆震加力燃烧室的涡扇发动机(简称PDAC) 的相关性能参数,计算并比较了传统涡扇发动机 和PDAC的推力,SFC和推重比,研究了PDAC 共用尾喷管的性能影响,研究结果表明,当PDE 工作频率达到100Hz或1()()Hz以上时,PDAC 推力比原涡扇发动机提高了50,60,比推提 高了40,50,在模拟飞行高度10668m,马 赫数为0.85的巡航状态下,当推力与原涡扇加力 基本一致时,脉冲爆震一涡扇组合发动机的SFC 降低了11,并且获得了带有扩张尾喷管的 PDAC比没有尾喷管的PDAC性能略有提高的 结论,理论上验证了在涡扇发动机后部采用脉冲 爆震发动机作为脉冲爆震加力燃烧室概念的发动 机(PDAC)是可行的.Smirnovl4等人利用汽车 技术设计了以汽油为燃料的7管机械阀PDE,该 系统单管工作频率最大达到10Hz,采用增加混 合物的初始温度缩短DDT距离(时间),初始温 度范围为293,343K. Zhdan_6.等人研究了尾喷管对单脉冲PDE 的性能影响,爆震室包括直径d一50mm,/LDc 接近1的圆柱型爆震管,在爆震管出口处安装不 同结构的尾喷管,包括圆柱型,扩张型,钟型,组合 型和延长组合型等,爆震室长度LDc一65mm,喷 管的长度为L,B—L/LDc,B的范围为0,5. 7.试验结果表明,随着B的增加,推力增加,基于 混合物的比冲I.随着B线性增加,推力壁压力 平台持续时间r也会略有增加. 本文建立了三管PDE整体试验系统,设计, 加工了收敛型尾喷管和收敛一扩张型尾喷管,研究 了共用尾喷管三管PDE各爆震管之间影响. 1试验系统 煤油/空气三管气动阀式脉冲爆震发动机如 图1所示,由三个内径100mm,长度2000mm 的爆震管和三个轴向旋流加直流气动阀共用进气 道和共用尾喷管组成.整个试验系统包括试车台, 空气加热器,供油,供气系统,点火系统,PCB压 力传感器,A/D转换器,数据采集系统,热电偶测 温系统等. 采用一台罗茨风机作为气源,最大流量1500 g/s,为了减小倒流压力脉动对空气加热器工作影 响,保证空气加热器稳定工作,进气道进口截面和 空气加热器的喷管出口截面存在一定间隙,空气 加热器的喷嘴额定流量为3.11g/s.采用皮托管 测量各爆震室充填速度,平均值为35m/s,在此 充填速度下,根据单管气动阀式PDE试验结 果,选择组合型助焰扩焰装置,双轴向旋流加 直流气动阀,管状蒸发器,双环型孔板激波反射 器.采用离心喷嘴向PDE燃烧室喷注煤油,各爆 震管采用自适用控制煤油间歇喷注,空气加热器 出口温度为373K左右.采用PCB高频响动态压 力传感器测量各爆震室内压力历程,三个PCB压 三个爆震管 分布 图1煤油/空气三管气动阀式脉冲爆震发动机试验系统 Fig.1Schematicofapparatusofkerosene/airtriple—tubeaero—valvePDE 842航空动力第23卷 力传感器的位置均为距离气动阀出口1550m?l处. 2尾喷管设计 提高爆震室头部推力壁上的压力时间历程能 够增强PDE的推力性能,改变压力衰减率是提高 推力性能最有效的办法.尾喷管是改变压力衰减 率最实用和最有效的方法.PDE间歇式工作特点 使得PDE的尾喷管设计和工作机理的研究具有 挑战性,通常采用高频率工作或者多管组合的 PDE来使得其尾喷管达到准稳态工作方式,提高 PDE的性能.尾喷管的型式包括:收敛型,扩张 型,收敛一扩张型,圆柱型,钟型等.尾喷管的使用 相当于增加了PDE的可变截面积的延长段,如果 尾喷管内充填的是惰性气体或上个循环的燃气 时,可以建立部分充填模型PDEl】引,部分充填模 型PDE对提高PDE的总体性能是有利的. 图2收敛型尾喷管和收敛一扩张型尾喷管 Fig.2Convergingnozzleandconverging—diverging nozzle 设计加工了收敛型和收敛一扩张型两种尾喷 管,分别如图2中(a)和(b)所示.收敛型尾喷管的 收缩比为0.666,喉道直径为150rnrn,高度为200 rnrn.收敛一扩张型尾喷管的收敛部分和收敛型尾 喷管相同,扩张部分的高度为150ITIITI,扩张比为 1.78,扩张角不是定值,变化范围为12.,3o.. 3试验研究结果 选用带导流片的隔离挡板安装在进气道中, 在各爆震管上距离气动阀出口1550mm处安装 PCB压力传感器,距离爆震管出口450rnrn,研究 收敛一扩张型尾喷管和收敛型尾喷管PDE各爆震 管之间相互干扰,单管工作频率10Hz,三管总工 作频率30Hz. 图3给出了未装共用尾喷管的三管PDE爆 震室内压力历程,从图上可以看到,爆震波的峰值 压力P都超过1.9MPa,CJ压力PcJ平均值都 达到1.7MPa,三个爆震管内都成功获得稳定发 展的爆震波,总有一个爆震管内的爆震波压力高 3 2 芝1 o 3 2 l 0 3 2 毛1 O t/ms (a) 图3未装共用尾喷管三管PDE各爆震室压力历程 Fig.3Pressuretimehistoryoftriple-tube PDEwithnonozzle 于其余两个爆震管,而其余两个爆震管基本相当, 这是由于气动阀式PDE共用进气道导致的,当一 个爆震室内产生爆震燃烧时,高温高压燃气通过 气动阀倒流进入共用进气道,高温高压燃气和从 进气道入口进入的新鲜空气混合进入其它两个爆 震管,倒流燃气影响进入其它两个爆震室内可燃 混气的敏感性,影响其它两个爆震室内爆震燃烧 性能. 收敛一扩张型尾喷管PDE试验结果如图4 示,三个爆震管都能够稳定时序工作,都产生了稳 定发展的爆震波,平均峰值压力P.都达到2.5 MPa以上,平均CJ压力P达2.0MPa以上,波 后压力P.为0.5MPa.当一个管中爆震波传播到 爆震管出口时,衰减为无反应强激波,强激波遇到 尾喷管收敛斜面时,发生马赫反射,并同时向其它 两个爆震管上游传播,从图4(a)中压力历程可以 清晰地看到,在一个爆震管内产生爆震波时,其它 两个爆震管内压力历程曲线上均有回传压力突跃 (指示),这是收敛斜面发生反射产生的反射 第5期李建中等:煤油/空气三管脉冲爆震发动机共用尾喷管研究843 激波引起的 3.5 1.5 - 0.5 9697989910O1O11O2 4.0 2.5 皇 乏1.0 - 0.5 图4收敛,扩张型尾喷管PDE各爆震室压力历程 Fig.4Pressuretimehistoryoftriple-tubePDEwith convergingnozzle 对于收敛型尾喷管PDE的试验结果如图5 所示,从图5(b)中局部压力曲线上看,三个爆震 管已经时序稳定工作,平均峰值压力P都达到 2.2MPa以上,平均CJ压力PcI达1.9MPa以 上,波后压力P.为0.48MPa.和收敛一扩张型尾 喷管PDE一样,当一个管中爆震波传播到爆震管 出口时,衰减为无反应强激波,强激波遇到尾喷管 收敛斜面时,发生马赫反射,并同时像其它两个爆 震管上游传播,在其它两个爆震管上的PCB压力 传感器可以测量得到. 两种安装尾喷管试验结果和没有安装尾喷管 试验结果相比较,爆震波峰值压力,CJ压力都显 着提高,说明在爆震管出口使用收敛型尾喷管,有 利于提高爆震室内压力,提高爆震室头部压力,脉 冲爆震发动机毛推力计算通常是根据爆震室头部 压力历程积分获得,因此,有利于提高三管PDE 的推力. 2.5}Tube2 一 —? 毫.3.5 }T1the3 LLLLL.L一 0.5占_—————————志— 4.O 2.5 1.O - 0.5 图5收敛型尾喷管PDE各爆震室压力历程 Fig.5Pressuretimehistoryoftriple-tubePDEwith converging—divergingnozzle 对于在爆震管出口安装收敛型尾喷管组成的 共用尾喷管PDE,在一个爆震管中产生爆震波传 出爆震管时,会影响其它两个爆震管内的压力历 程,破坏充填过程中的稳定流场.图6给出了第二 爆震管产生爆震波对其它两管的影响,PCB压力 传感器测量获得在1550mm处,在31.02ms时 刻产生稳定发展的爆震波,爆震波稳定向前传播, 在爆震管出口附近衰减为无反应强激波,首先在 第二爆震管出口对应的收敛斜面发生马赫反射, 反射激波向第二爆震管上游回传,在31.41ms到 达PCB压力传感器处,此时反射激波强度衰减为 0.8MPa.同时,当爆震波衰减为强激波时,靠近 尾喷管中央附近(相对远离尾喷管收敛斜面的爆 震管另一侧),同时会发生激波衍射,当衍射激波 遇到第一和第三爆震管对应的收敛斜面时,又发 生激波反射,反射激波向两爆震管上游传播,在 32.56ms时刻到达第一爆震管的PCB压力传感 器处(距离气动阀出口1550mm),此刻反射激波 844航空动力第23卷 的压力平均值为0.435MPa,在32.63ms时刻到 O.2 - 0.2 O3l3233343536373839404l O3l32333435363738394041 3l32333435363738394041 l/ms 图6各爆震管相互影响试验结果 Fig.6Effectofinteractionamongdetonationtubes 达第三爆震管的PCB压力传感器处(距离气动阀 出口1550ram),此刻反射激波的压力平均值为 0.36MPa,反射激波到达时间和衰减程度不同是 因为行进路程不同造成的,主要是因为本文尾喷 管的形状比较独特,加工难度较大,不可能保证完 全对称,以后可以通过提高加工精度解决.试验结 果表明在设计多管PDE共用尾喷管时,不仅要考 虑尾喷管本身的性能,还要考虑对爆震室充填过 程影响,两者需要折衷处理. 4结论 1)在进气加温的条件下,以煤油为燃料,低 污染空气为氧化剂,在内径1001TI1TI,长为2000 miD_的三个爆震管组成的多管PDE中进行了大 量的多循环爆震试验,成功实现单管工作频率10 Hz,总工作频率30Hz情况下,保证三管正常时 序工作,在每个爆震管中均获得稳定发展的CJ 爆震波. 2)研究了共用尾喷管的设计方法,研究了共 用收敛型尾喷管导致各爆震管之间相互影响规 律,在保证不影响各爆震管充填过程情况下,在多 管PDE爆震管出口安装收敛型尾喷管能够显着 提高爆震室内压力,提高多管PDE的工作性能. 参考文献: [1]MawidMA,ParkTW.Towardsreplacementofturbofan enginesafterburnerswithpulsedetonationdevices[R]. 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